1847 eröffnete Mr. Philip Morris ein Geschäft in der Londoner Bond Street. Heute ist PMI ein führendes internationales Tabakunternehmen, das eine weitreichende Entscheidung getroffen hat. PMI baut seine Zukunft auf rauchfreien Produkten auf, die eine viel bessere Wahl für erwachsene Raucher darstellen, als das Weiterrauchen.
Heute ist Philip Morris International (PMI) als einer der weltweit größten Hersteller von Tabakwaren bekannt. Im Jahr 2023 erzielte PMI einen Jahresumsatz von 35,2 Milliarden US-Dollar. Rauchfreie Produkte machten 39,3 Prozent des gesamten Nettoumsatzes aus.
Laut Jacek Olczak, CEO von PMI, ist es das Ziel des Unternehmens, bis 2030 weitgehend rauchfrei zu sein, wobei über zwei Drittel der gesamten Nettoumsätze aus rauchfreien Produkten stammen sollen.
Heat-Not-Burn-Produkte
Eine rauchfreie Zukunft gestalten
Seit 2008 arbeitet PMI an der Entwicklung und wissenschaftlichen Bewertung von weniger schädlichen, rauchfreien Alternativen. Das erfolgreichste rauchfreie Produkt, IQOS, wurde 2014 auf den Markt gebracht. Rauchfreie Produkte werden in den PMI-Werken in der Schweiz, Italien, Griechenland, Rumänien, Polen, Korea und Indonesien hergestellt. Die Vision des Unternehmens – die von allen bei PMI geteilt wird – ist, dass rauchfreie Produkte eines Tages Zigaretten ersetzen werden. Vor zehn Jahren machte PMI einen großen Schritt in Richtung der Verwirklichung dieser Vision, indem IQOS zum ersten Mal erwachsenen Rauchern zur Verfügung gestellt wurde. In den letzten zehn Jahren hat das Unternehmen sein Portfolio an rauchfreien Produkten kontinuierlich innoviert und erweitert, wobei es sich an den Bedürfnissen und Erwartungen der Verbraucher orientierte und sich auf wissenschaftliche Erkenntnisse stützte. Heute sind die rauchfreien Produkte in über 80 Märkten weltweit erhältlich und bieten Millionen von erwachsenen Rauchern eine Reihe besserer Alternativen zum Weiterrauchen.
Heute ist IQOS das weltweit führende Tabakerhitzungssystem mit mehr als 28 Millionen Nutzern, von denen etwa 20,8 Millionen das Rauchen aufgegeben haben, während der Rest sich in verschiedenen Phasen der Umstellung befindet. In Japan, wo IQOS vor zehn Jahren erstmals eingeführt wurde, nutzt fast ein Drittel der erwachsenen Raucher IQOS.
Produktion von Heat-not-Burn-Produkten
Heiztabakprodukte (HTPs), auch als Heat-Not-Burn-Produkte bekannt, sind elektronische Geräte, die Tabak erhitzen, ohne ihn zu verbrennen, um ein nikotinhaltiges Aerosol freizusetzen, das Erwachsenen eine bessere Alternative zum Weiterrauchen bietet. Sie verwenden Tabaksticks, die von den Konsumenten in das Gerät eingelegt und nach der Verwendung entsorgt werden.
Erhitzte Tabaksticks (auch als erhitzte Tabakeinheiten oder HTPs bekannt) sind verarbeitete Tabakstopfen, die für das Erhitzen entwickelt wurden. Der Tabakstopfen wird aus Tabakblättern hergestellt, die gemahlen und zu Tabak-Gussblättern, den sogenannten Cast-Leafs, rekonstruiert werden. Diese Gussblätter werden dann gefaltet und zu einem Tabakstopfen verarbeitet.
Die neueste Generation von HTPs verfügt auch über ein einzigartiges Metallerhitzungselement, das mit Edelstahl beschichtet ist, um eine effiziente Tabakerhitzung zu gewährleisten. Die Herstellung von erhitzten Tabakprodukten ist ein völlig anderer Prozess als die herkömmliche Zigarettenproduktion.
OPC UA-Reise
Heterogene Technologien
Einige der älteren Produktionsanlagen von PMI sind nicht bereit für Industrie 4.0. Josselin Vallee, Manager für Maschinenintegration und -überwachung bei PMI, beschreibt dies als einen „Dschungel sehr unterschiedlicher Technologien“. In diesem heterogenen Maschinenpark konnten typischerweise nur fünf Datenpunkte mit verschiedenen Kommunikationsstandards erfasst werden. Diese wurden hauptsächlich für die Leistungsüberwachung verwendet. Der Einsatz fortschrittlicher Industrie-4.0-Technologien war daher schwierig.
Um eine nahtlose Produktion über verschiedene Maschinen von unterschiedlichen Herstellern hinweg zu ermöglichen, war ein interoperabler Kommunikationsstandard erforderlich. Daher trat PMI 2017 der OPC Foundation bei und begann, OPC UA zu nutzen.
„Wir brauchten eine Möglichkeit, mit unseren Maschinen zu kommunizieren“, erklärt Josselin Vallee. OPC UA stach als Kommunikationsplattform hervor, da es Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT) nahtlos miteinander verbindet.
Um den Datenaustausch in der gesamten Branche zu beschleunigen, haben führende internationale Tabakwarenhersteller, darunter PMI, und die OPC Foundation eine Arbeitsgruppe gebildet. Gemeinsam entwickelten sie die Begleit-Spezifikation „Tobacco Machine Communication“ (TMC) in der Version 1.0 im Jahr 2017. Die neueste Version von TMC (Version 2.0) ist seit Juni 2022 verfügbar, nachdem die Erfahrungen aus der Anwendung der Spezifikation in einer Produktionsumgebung berücksichtigt wurden. Ziel ist es, den Datenaustausch und die Interoperabilitätsanforderungen sowohl für Tabakwarenhersteller als auch für OEMs zu optimieren.
In seinen rauchfreien Produktionsstätten nutzt PMI OPC UA für eine intelligentere Fertigung.
Pilotphase und Simulation
Der Pilot-Anwendungsfall
Im ersten Use Case wurde eine automatisierte Materialidentifikation, Nachverfolgbarkeit und Integration geschaffen. PMI integrierte OPC UA und den TMC Server in eine spezifische Maschine.
PMI produziert Zwischenprodukte mit unterschiedlichen Rezepturen und Eigenschaften. Wenn eine nachgelagerte Maschine diese Materialien erhält, prüft sie, ob sie mit ihrem Prozessauftrag übereinstimmen. Diese Materialien haben verschiedene Eigenschaften, die beeinflussen können, wie sie verarbeitet werden oder ungeplante Ausfallzeiten verursachen. Zuvor musste jedes eingehende Material und sein Etikett alle vier Minuten visuell überprüft werden. Mit den begrenzten Informationen auf dem Etikett konnte PMI keine Einsicht in die Materialeigenschaften erhalten. Es war auch schwierig, diese Eigenschaften in den vorgelagerten Produktionsprozessen zu verbessern.
Validierung der Lösung auf Basis von OPC UA
Um diese Probleme zu lösen, entwickelte PMI eine Lösung mit OPC UA und der TMC-Begleit-Spezifikation. „Die TMC-Begleit-Spezifikation sammelt Material-, Maschinen-, Leistungs- und Prozessauftragsinformationen an einem Ort. So können Informationen einfach empfangen, überprüft und hin- und hergeschickt werden. Jetzt können wir die Materialqualität mit unserem MES-System verifizieren und Material- sowie Maschineninformationen sammeln, wenn es zu Verarbeitungsproblemen kommt“, erklärt Josselin Vallee. Um die Transformation zu OPC UA zu beschleunigen, arbeitete PMI mit Aleph Digital Industry zusammen, die die Integration zusätzlicher Fertigungs-Mikroservices unterstützten.
Globaler Rollout
Ermutigt durch den frühen Erfolg des Projekts, rollt PMI nun OPC UA für neue (native) und bestehende (retrofit) Geräte aus. Das Ziel ist es, verschiedene Industrie-4.0-Use-Cases zu ermöglichen.
Retrofit mit OPC UA
Die drei wichtigsten IoT-Herausforderungen beim Umstieg auf OPC UA
Drei Herausforderungen machen die Integration von OPC UA bei PMI schwierig.
Erstens: Die technischen Fähigkeiten und der Aufwand, die für die Implementierung der Begleit-Spezifikation erforderlich sind, variieren je nach Gerät und OEM. Dies führt zu Unterschieden darin, wie gut die Begleit-Spezifikation eingehalten wird. Einige Maschinen in einer Produktionslinie halten sich besser an die Spezifikation als andere.
Die zweite Herausforderung besteht in der Harmonisierung der Companion Specification mit den bereits vorhandenen oder von den Anlagen erzeugten Daten in OPC-UA- und TMC-Retrofit-Use-Cases.
Die dritte Herausforderung besteht darin, das erhebliche Datenvolumen, das erzeugt wird, wenn Geräte mit OPC UA und TMC ausgestattet sind, effektiv zu verwalten.
Anpassung an bestehende Maschinenkapazitäten
„Häufig gibt es eine Lücke zwischen den Fähigkeiten einer Maschine, die nachgerüstet werden soll, und den Anforderungen der Begleit-Spezifikation. Einige Teile unseres Informationsmodells sind leer, weil zusätzliche Logik im System der Maschinen implementiert werden muss, um unsere Konformitätseinheiten der Spezifikation zu erfüllen“, erklärt Josselin Vallee. „Bei unserer Transformation mit OPC UA und TMC geht es nicht ‚nur‘ um die Standardisierung des Datenaustauschs, sondern auch – zumindest teilweise – um die Standardisierung von Maschinenfunktionen.“
Datenverwaltung
OPC UA in Kombination mit TMC liefert PMI detailliertere, klarere und häufigere Informationen. „Von nur fünf standardisierten Datenpunkten, die wir früher hatten, haben wir jetzt Zugriff auf Hunderte, wenn nicht Tausende. Wir haben auch die Häufigkeit des Datenaustauschs drastisch erhöht, von zweistelligen Sekundenwerten auf einstellige“, erinnert sich Josselin Vallee. „Das bedeutet große Datenmengen, die ausgetauscht werden, und führt zu einer intensiven Belastung der Maschinenhardware und unserer IT-Infrastruktur“, erklärt Josselin Vallee. Das Aufnehmen, Speichern und Verarbeiten großer Mengen an Informationen aus Fertigungsprozessen bei höheren Frequenzen war eine komplexe Herausforderung. Dennoch eröffnet die gesamte neue Dimension des Informationsaustauschs, unterstützt durch OPC UA, große Chancen für skalierbare Industrie-4.0-Lösungen bei PMI.
Geschwindigkeitsmanagement
OPC-UA-gestützte Maschinenorchestrierung
In der Hochgeschwindigkeitsproduktion ist das Synchronisieren der Maschinenlaufgeschwindigkeiten innerhalb einer Produktionslinie entscheidend. Um die Auswirkungen eines Maschinenausfalls zu verringern, wird Material zwischen den Maschinen in Materialpuffern gespeichert. Wenn eine Maschine ausfällt, halten die Puffer das Material der vorgelagerten Maschine und speisen es in die nachgelagerte Maschine ein. Dadurch wird verhindert, dass die ganze Produktionslinie stillsteht. „Puffer speichern jedoch nur begrenzte Mengen an Material. Die Geschwindigkeit der Maschinen, die diese Puffer nutzen, beeinflusst, wie schnell wir das Material aufbrauchen und die gesamte Linie zum Stillstand kommt“, erklärt Josselin Vallee.
Weniger Puffermaterial
Traditionell steuerte PMI die Maschinenlaufgeschwindigkeiten anhand des Maschinenstatus, basierend auf den Pufferfüllständen und Sichtkontrollen. In den letzten Jahren hat PMI die Größe der Puffer in seinen Produktionslinien verringert. „Mit kleineren Puffern mussten wir die Maschinen-Geschwindigkeitsregelung bei Ausfällen verbessern, um eine hohe Betriebszeit aufrechtzuerhalten. Einfach nur auf Basis der Pufferstände zu reagieren und auf eine sofortige Reaktion unserer Betreiber zu vertrauen, reichte nicht aus. Wir brauchten intelligenteres Management.“
Der Geschwindigkeitsregler
Um dies zu lösen, arbeitete PMI mit Aleph Digital Industry zusammen, um eine robuste, skalierbare und anpassungsfähige Edge-Lösung zu entwickeln, die Maschinen ausschließlich über OPC UA steuert.
„Aleph hat für PMI den Speed Management Controller (SMC) entwickelt, der auf einem Edge-Controller neben den Maschinen läuft“, erklärt Diego Paccagnan, CEO von Aleph Digital Industry. SMC lernt kontinuierlich aus den Betriebs- und Stillstandzeiten jeder Maschine, überwacht die Pufferstände und prognostiziert bevorstehende Stopps oder Neustarts. „Basierend auf diesen Informationen passt der SMC die optimale Geschwindigkeit für jede Maschine an und minimiert Blockierungen oder Materialengpässe“, sagt Diego Paccagnan.
Mit OPC UA und TMC in neu ausgerüsteten Maschinen wird die Koordination der Maschinenlaufgeschwindigkeit in Produktions- und Verpackungslinien präziser. Entscheidungen können auf Basis eines großen Satzes von Datenpunkten getroffen werden. Dies führt zu einer längeren mittleren Zeitspanne zwischen den Ausfällen und einer höheren Betriebszeit, selbst bei hochautomatisierten Maschinen.
PMI setzt nun weltweit SMC um, wobei der Interoperabilitätsstandard von OPC UA und die Begleit-Spezifikation TMC für die Skalierbarkeit genutzt werden.
Text aus dem Original übernommen und übersetzt – OPC Foundation
